PRESENTAZIONE

Il corso è un’introduzione ai processi di preparazione dei materiali ceramici, alle loro proprietà e applicazioni. Tratta inoltre le trasformazioni chimico-fisiche e i difetti cristallini, al fine di ottimizzarne microstruttura e proprietà funzionali. Il corso tratta in maggior dettaglio i ceramici utilizzati nei sistemi di produzione e accumulo dell'energia.

Corso tenuto in lingua italiana. Slide e materiale del corso in inglese.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti una conoscenza avanzata dei materiali ceramici per impieghi energetici. Ad una panoramica di base delle proprietà e dei processi produttivi che contraddistinguono i materiali ceramici saranno associati approfondimenti su: difetti e modellizzazione delle strutture reticolari, conduzione ionica ed elettronica, applicazioni in celle a combustibile ed elettrolizzatori ad alta temperatura, turbine a gas, celle fotovoltaiche

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Lo scopo dell'insegnamento è quello di fornire conoscenze sulle caratteristiche chimico-fisiche e microstrutturali dei materiali, allo scopo di indirizzare il processo di produzione (formatura, trattamenti termici, finitura) verso l'ottimizzazione delle proprietà per cui il materiale è stato progettato.

Lo studente sarà in grado di:

• conoscere i differenti tipi di materiali ceramici, in particolare quelli impiegati nella trasformazione e nello stoccaggio dell'energia
• definire i parametri di un processo di formatura e sinterizzazione
• conoscere la correlazione fra struttura e microstruttura e proprietà meccaniche e funzionali (resistenza meccanica, conducibilità elettrica, proprietà termiche, magnetiche e ottiche) dei ceramici 
• conoscere le principali tecniche di indagine chimico-fisica ed essere in grado di applicarle criticamente al problema specifico

PREREQUISITI

Chimica di base, analisi matematica, fisica.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula e in laboratorio.

In caso di indicazioni da parte dell'Ateneo e del Consiglio di Corso di Studi non si esclude l'opzione didattica a distanza, attraverso la piattaforma TEAMS.

Gli studenti che abbiano in corso di validità certificazione di disabilità fisica o di apprendimento in archivio presso l'Università e che desiderino discutere eventuali sistemazioni o altre circostanze relative a lezioni, corsi ed esami, dovranno parlare sia con il docente che con il Prof. Federico Scarpa (federico.scarpa@unige.it), referente per la disabilità della Scuola Politecnica.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Definizione di materiale ceramico, classificazione (ceramica tradizionale e avanzata), caratteristiche generali dei ceramici, fasi del processo ceramico.

Proprietà strutturali: strutture cristalline principali, legami, regole di Pauling.

Vetro: struttura, regole di Zachariasen, ossidi formatori e ossidi modificatori. Formazione del vetro, effetto della composizione sulle proprietà mecc. e funzionali, nucleazione e crescita, vetroceramici.

Diagrammi di fase: richiami alle regola delle fasi e della leva, sistemi monocomponenti, sistemi binari, sistemi ternari, regola di leva nei sist. ternari, diagrammi composizione - energia libera e  temperatura. Casi di diagrammi binari di interesse per il ceramista. Studi isopletali in raffreddamento e riscaldamento  in diagrammi  ternari di maggior interesse.

Processo ceramico: metodi di preparazione delle polveri, macinazione, analisi delle dimensioni  e della distribuzione dimensionale delle particelle,  compattazione delle polveri per ceramici  avanzati refrattari.

Stabilità delle sospensioni, bagnanti, additivi. Principi generali di formatura. Essiccazione, debonding e cottura.

Densificazione e ingrossamento dei grani: meccanismi di trasporto nella fase iniziale della sinterizzazione. Fasi intermedia e finale della sinterizzazione, crescita dei grani ed eliminazione dei pori. Sinterizzazione in presenza di fasi liquide.

Proprietà meccaniche: frattura fragile, statistica di Weibull. Metodi di rafforzamento. Proprietà termiche, dielettriche, magnetiche e ottiche dei ceramici.

Chimica dei difetti, notazione di Kroger-Vink e formulazione delle equazioni di reazione. Controllo termodinamico della concentrazione delle vacanze. La conducibilità elettrica ni ceramici.

Materiali ceramici avanzati per la conversione e lo stoccaggio di energia:

• ceramici per alte temperature (turbine a gas)
• ceramici nel ciclo del combustibile nucleare
• ceramici per il fotovoltaico e la foto-catalisi
• piezoeletrici
• Membrane ceramiche per la separazione dei gas
• celle a combustibile ed elettrolizzatori a ossidi solidi

Formazione in laboratorio: formatura verde, termogravimetria, dilatometria,  SEM

TESTI/BIBLIOGRAFIA

W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, John Wiley & Sons.

A.J. Moulson & J.M. Herbert, Electroceramics, Chapman & Hall.

M.W. Barsoum,  Fundamentals of Ceramics

Y M  Chiang, D. Birnie III, W. D. Kyngery , Physical Ceramics

Introduction to Phase Equilibria in Ceramics

J.S. Reed, Principles of Ceramic Processing

• Solid Oxide Fuel Cells, Materials Properties and Performance, CRC Press, Edited by J. W. Fergus et al.
• Fuel Cell Systems, Plenum Press, Edited by L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MARIA PAOLA CARPANESE (Presidente)

MASSIMO VIVIANI

MARCO PANIZZA (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/10375/studenti-orario

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame finale consiste in una prova scritta e una prova orale, al fine di valutare il raggiungimento degli obiettivi formativi. La prova scritta proporrà quesiti su argomenti ed esercizi svolti a lezione. Durante la prova orale verranno rivolte al candidato due domande; la prima verterà su un argomento a scelta del candidato, la seconda su un argomento a scelta dell’esaminatore. 

Si consigliano gli studenti con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare il/la docente all’inizio del corso per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame è progettato per verificare la conoscenza da parte dello studente delle pricipali caratteristiche e proprietè dei materiali ceramici. Viene richiesta la conoscenza delle relazioni tra composizione chimica, struttura e microstruttura e i parametri del processo produttivo, al fine di ottimizzare le proprietà meccaniche e funzionali dei materiali. Sarà inoltre valutata la capacità di risolvere semplici problemi numerici e di interpretazione dei diagrammi di fase, nonché l'abilità dello studente nell'operare una scelta tra materiali differenti, la chiarezza e la precisione dell'esposizione.

ALTRE INFORMAZIONI

Salvo altre indicazioni dell'ateneo la didattica frontale verrà effettuata tramite Teams.

Nel primo semestre l'attività di laboratorio è subordinata alle prescrizioni dell'ateneo.